campi continui

Focalizzazione di elio per diffrazione

Dopo aver preso in considerazione il comportamento di vari pennelli di materia è ormai chiaro che è possibile associare a tali pennelli un comportamento ondulatorio e associare loro, quindi, una particolare lunghezza d’onda.
Non stupisce allora che ciò accada anche per pennelli di elio, dei quali si parlerà ora, per mostrare un’applicazione importante dell’aspetto ondulatorio della loro propagazione.
In generale è facile focalizzare pennelli elettromagnetici (con delle comuni lenti) o anche elettronici con opportune lenti elettromagnetiche. Attraverso l’uso di fasci di questo tipo si costruiscono microscopi che forniscono immagini di un oggetto piccolo. E’ però possibile realizzare microscopi utilizzando un sistema di focalizzazione non più solo per l’elettronio o la luce, ma anche per pennelli di elio.
L’elio nel suo stato fondamentale è completamente non penetrante, chimicamente inerte e non può produrre alcun danno meccanico. È facile per cui rendersi conto di quanto sia conveniente una microscopia basata sull’utilizzo di pennelli di questo tipo, che tra l’altro possono essere prodotti in modo piuttosto semplice.
Siccome la lunghezza d’onda di un pennello di elio è poi molto piccola rispetto per esempio a quella di un pennello elettromagnetico o elettronico di energia equivalente, si capisce come la microscopia ad elio potrebbe migliorare la risoluzione spaziale, la sensibilità alla superficie dell’oggetto in studio, il contrasto, e diminuire il danneggiamento dell’oggetto.
La configurazione sperimentale che viene utilizzata per focalizzare pennelli di elio è mostrata nella seguente figura:

elio

Per ottenere la focalizzazione del pennello di elio si usa un reticolo zonato, o reticolo diFresnel ( Cfr. Doak R. B. et al. « Towards Realization of an Atomic de Broglie Microscope: Helium Atom Focusing Using Fresnel Zone Plates » Phys. Rev. Let. 83 (21) 4229-4232 22, November 1999. ) , che è un oggetto a simmetria circolare che produce lo stesso effetto focalizzante di una lente: le zone trasparenti e opache sono disposte alternativamente e circolarmente e sono di dimensione identica alle zone di Fresnel: se il pennello che incide ha una determinata lunghezza d’onda viene diffratto in modo tale che ad un certo punto dell’asse ottico, dopo il reticolo, si ha interferenza costruttiva tra i raggi diffratti come nel seguente schema grafico:

reticoli elio
Reticolo zonato
reticolo zonato
Schema di focalizzazione tramite reticolo zonato

.Mentre però una lente convergente su un’onda elettromagnetica provoca la convergenza nel fuoco di tutto il fascio incidente, con questo reticolo e con il sistema sperimentale illustrato qui, parte del fascio incidente di elio viene diffratto in direzioni che non saranno convergenti nel fuoco.

Alcuni valori dei parametri fisici usati in questa serie di esperimenti:

  • La lunghezza d’onda del pennello varia da circa 0.88 Å  a circa 1.8 Å con una monocromaticità dell’ordine dell’ 1%.
  • La lunghezza focale del reticolo è di 307 mm nel caso di lunghezze d’onda di 0.88 Å  e di 150 mm per pennelli di lunghezza d’onda di 1.8 Å.